太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系

李娣，李旭文，牛志春，王霞，師偉，于紅霞

1. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046；2. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京210036；3. 空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000

太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系

李娣1,2，李旭文2，牛志春2，王霞2，師偉3，于紅霞1*

1. 南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046；2. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京210036；3. 空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000

為了探討太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)時(shí)空分布特征、以及太湖浮游植物群落指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系，于2013年1月─2013年12月對(duì)太湖7個(gè)點(diǎn)位浮游植物群落結(jié)構(gòu)和水質(zhì)指標(biāo)（水溫、透明度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氟化物、生化需氧量、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、溶解性磷酸鹽和葉綠素a）進(jìn)行月度調(diào)查，研究其浮游植物群落結(jié)構(gòu)和湖泊水質(zhì)的時(shí)空分布；并利用Pearson相關(guān)性分析浮游植物密度、浮游植物多樣性與水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系；找出影響太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要水質(zhì)指標(biāo)。結(jié)果表明：太湖7個(gè)點(diǎn)位共獲得124種浮游植物物種，其中藍(lán)藻門（Cyanophyta）30種、綠藻門（Bacillariophyta）47種、硅藻門（Chlorophyta）34種、隱藻門（Cryptophyta）3種、裸藻門（Euglenophyta）6種和甲藻門（Dinoflagellate）4種；其中藍(lán)藻門的微囊藻屬（Microcystis spp.）為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種群，優(yōu)勢(shì)度為80.8%；太湖浮游植物總密度與藍(lán)藻門密度呈極顯著正相關(guān)（r=1.000，P＜0.0001）；綠藻門和硅藻門占浮游植物總密度百分比分別和藍(lán)藻門占浮游植物總密度百分比呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.497，P＜0.0001；r=-0.814，P＜0.0001）。太湖7個(gè)點(diǎn)位水質(zhì)首要污染物為總氮，其次是總磷和化學(xué)需氧量；西太湖污染物濃度最高。從空間上看，太湖浮游植物總密度最高值出現(xiàn)在貢湖灣（遠(yuǎn)離其入湖口處），且貢湖灣浮游植物群落多樣性相對(duì)低于太湖其他點(diǎn)位，同時(shí)貢湖灣微囊藻屬密度百分比達(dá)90.1%，遠(yuǎn)高于太湖其他點(diǎn)位；從時(shí)間上看，太湖浮游植物總密度最高值出現(xiàn)在12月份、其次是6月份；通過浮游植物群落指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析，水溫、透明度、總氮、化學(xué)需氧量、葉綠素a是影響太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要水質(zhì)指標(biāo)?？刂铺牒谒|(zhì)污染物濃度排放和修復(fù)水生態(tài)環(huán)境是太湖藍(lán)藻治理的有效方法，同時(shí)加強(qiáng)太湖入冬藻類監(jiān)測(cè)以預(yù)防冬季太湖藍(lán)藻爆發(fā)。

太湖；浮游植物群落；物種多樣性；影響因子

太湖是中國(guó)第三大淡水湖，隨著經(jīng)濟(jì)和人口的不斷發(fā)展，大量含有高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽的廢水排入到湖體中，湖泊水質(zhì)不斷惡化，最終使得湖體藍(lán)藻水華爆發(fā)。2007年夏天的藍(lán)藻水華爆發(fā)引發(fā)飲用水危機(jī)事件，更是引起了世界各國(guó)的關(guān)注。

目前圍繞太湖開展的浮游植物群落特征的研究主要集中在局部湖灣或湖區(qū)（陳家長(zhǎng)等，2009；姚恩親等，2009；原居林等，2009；李欽欽等，2010；楊柳等，2011；李大命等，2012；蔡琳琳等，2012；韓志萍等，2013），對(duì)太湖整個(gè)湖區(qū)進(jìn)行周年調(diào)查研究較少（馮露露等，2012）。對(duì)太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)（如水溫、溶解氧、不同形態(tài)氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)）關(guān)系的研究較多（楊柳等，2011；韓志萍等，2013；沈愛春等，2012；吳雅麗等，2013；吳攀等，2013）。

本文于2013年1月─2013年12月對(duì)太湖不同湖區(qū)7個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行浮游植物群落調(diào)查與水環(huán)境質(zhì)量調(diào)查，水質(zhì)指標(biāo)增加化學(xué)需氧量和電導(dǎo)率等；分析不同湖區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及原因；探討浮游植物群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系；為太湖藍(lán)藻治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究在太湖布設(shè)7個(gè)采樣點(diǎn)，分別是東部湖區(qū)1個(gè)（TH1）、梅梁湖1個(gè)（TH2）、南太湖1個(gè)（TH3）、西太湖1個(gè)（TH4）、湖心區(qū)1個(gè)（TH5）和貢湖2個(gè)（TH6和TH7）（圖1）。

1.2 采樣與分析

從2013年1月至2013年12月每月采集1次樣品，其中浮游植物樣品的采集參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版），并根據(jù)《淡水浮游生物圖譜》、《中國(guó)淡水志》、《淡水浮游生物研究方法》、《江蘇省浮游植物鑒定圖譜》進(jìn)行分類鑒定，并計(jì)算出浮游植物細(xì)胞數(shù)量；水質(zhì)樣品的采集和分析參考《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 91-2002）、《環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證手冊(cè)（第二版）》及《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）的有關(guān)要求。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究應(yīng)用SPSS18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性分析和Pearson相關(guān)性分析，用PRIMER6.0進(jìn)行浮游植物群落多樣性指數(shù)（H’、Simpson、Margalef和Pielou）計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物組成

本研究在太湖中共發(fā)現(xiàn)124種浮游植物，鑒定到種的有88種，鑒定到屬的有36種；其中藍(lán)藻門（Cyanophyta）30種、綠藻門（Bacillariophyta）47種、硅藻門（Chlorophyta）34種、隱藻門（Cryptophyta）3種、裸藻門（Euglenophyta）6種和甲藻門（Dinoflagellate）4種。從浮游植物密度來看（表1），太湖浮游植物群落主要包括藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門和隱藻門四大門類，偶爾發(fā)現(xiàn)少量的裸藻門和甲藻門種群；優(yōu)勢(shì)種群為微囊藻屬，占80.8%。

圖1 太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)和水質(zhì)調(diào)查點(diǎn)位布設(shè)Fig. 1 Locations of the sampling sites in Taihu

表1 太湖不同湖區(qū)浮游植物群落密度均值Table 1 Mean density of phytoplankton community in Taihu cells·L-1

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)時(shí)間變化

太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)時(shí)間變化情況見表2、表3。TH1和TH2測(cè)點(diǎn)浮游植物總密度最高值均出現(xiàn)在9月份；TH3和TH4測(cè)點(diǎn)浮游植物密度最高值出現(xiàn)在8月份；TH5測(cè)點(diǎn)浮游植物總密度最高值出現(xiàn)在7月份；TH6和TH7測(cè)點(diǎn)浮游植物總密度最高值出現(xiàn)在12月份。

2.3 浮游植物群落指標(biāo)相關(guān)性分析

太湖浮游植物各指數(shù)間Pearson相關(guān)性見表4。浮游植物總密度與藍(lán)藻門密度呈極顯著正相關(guān)（r=1.000，P＜0.0001）。微囊藻屬密度、藍(lán)藻門密度、浮游植物總密度與浮游植物多樣性指數(shù)（H’、Simpson和Pielou）呈極顯著負(fù)相關(guān)；微囊藻屬占藍(lán)藻門密度百分比、藍(lán)藻門占浮游植物總密度百分比與浮游植物多樣性指數(shù)（H’、Simpson和Pielou）呈極顯著負(fù)相關(guān)；綠藻門占浮游植物總密度百分比與浮游植物多樣性指數(shù)（H’、Simpson和Pielou）呈極顯著正相關(guān)；綠藻門和硅藻門占浮游植物總密度百分比分別和藍(lán)藻門占浮游植物總密度百分比呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.497，P＜0.0001；r=-0.814，P＜0.0001）。

2.4 水質(zhì)指標(biāo)變化

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類，太湖執(zhí)行Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。目前太湖7個(gè)水質(zhì)首要污染因子為總氮，全年月超標(biāo)率為88.9%，主要超標(biāo)因子有總磷（超標(biāo)率為71.1%）、CODCr（超標(biāo)率為57.7%）、BOD5（超標(biāo)率為11.1%）、CODMn（超標(biāo)率為4.4%）、氨氮（超標(biāo)率為4.4%），其中總氮超標(biāo)1.01～6.65倍、最高月份為TH4測(cè)點(diǎn)3月份和9月份，總磷超標(biāo)1.4～3.2倍、最高月份為TH4測(cè)點(diǎn)3月份，CODCr超標(biāo)1.05～1.85倍、最高月份為TH4測(cè)點(diǎn)8月份，BOD5超標(biāo)1.05～1.23倍、最高月份為TH4測(cè)點(diǎn)1月份，CODMn超標(biāo)倍數(shù)為1.10～1.13、最高月份均為TH4測(cè)點(diǎn)8月份，氨氮超標(biāo)倍數(shù)為1.49～1.79、最高月份為TH4測(cè)點(diǎn)3月份。

表2 太湖浮游植物群落密度時(shí)間變化Table 2 Density of phytoplankton community in Taihu from January to December cells·L-1

表3 太湖浮游植物群落密度百分比時(shí)間變化Table 3 Density percentage of phytoplankton community in Taihu from January to December

表4 太湖浮游植物群落指數(shù)間Pearson相關(guān)性分析Table 4 Pearson correlation between metrics of phytoplankton community in Taihu Lake

2.5 水質(zhì)指標(biāo)與浮游植物群落指數(shù)間相關(guān)性分析

太湖水質(zhì)指標(biāo)與浮游植物群落指數(shù)間的Pearson相關(guān)關(guān)系見表5。水溫、總氮、CODCr、葉綠素a與浮游植物群落參數(shù)如密度、多樣性指數(shù)，呈顯著相關(guān)性。其中水溫與藍(lán)藻門種類數(shù)、綠藻門密度、綠藻門種類數(shù)以及浮游植物總種類數(shù)呈顯著正相關(guān)；總氮與藍(lán)藻門種類數(shù)、綠藻門密度以及浮游植物總種類數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；CODCr與浮游植物群落多樣性指數(shù)（H’和Simpson和Pielou）呈顯著負(fù)相關(guān)；葉綠素a與藍(lán)藻門種類數(shù)呈顯著正相關(guān)，與浮游植物群落多樣性指數(shù)（H’和Simpson和Pielou）呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

3.1 不同湖區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及其原因分析

貢湖浮游植物群落總密度最高，浮游植物群落多樣性較低；近灣口TH7測(cè)點(diǎn)浮游植物密度低于遠(yuǎn)離灣口TH6測(cè)點(diǎn)和太湖湖心區(qū)TH5測(cè)點(diǎn)，而其浮游植物多樣性則高于這2個(gè)測(cè)點(diǎn)。近年來“引江濟(jì)太”調(diào)水工程對(duì)貢湖的水環(huán)境有所改善，并降低了貢湖水體浮游植物密度，同時(shí)受到調(diào)水水流的沖刷作用，使得藍(lán)藻向TH6測(cè)點(diǎn)以及湖心區(qū)轉(zhuǎn)移（李大勇等，2011）；但是貢湖微囊藻屬占浮游植物總密度的90.1%，遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)。這可能是由于貢湖灣大面積的沉水植被已經(jīng)消失（朱廣偉，2009）；加上浮游動(dòng)物食性魚類如太湖鱭產(chǎn)量不斷增加（劉恩生等，2005），顯著抑制了浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)良性發(fā)展，導(dǎo)致大型浮游動(dòng)物的消失，從而促進(jìn)太湖浮游植物群落的生長(zhǎng)；同時(shí)浮游動(dòng)物所能捕食的食物顆粒取決于其體積的大小，浮游動(dòng)物對(duì)直徑＜50 μm的微囊藻群體無法捕食，當(dāng)微囊藻細(xì)胞聚集成較大的群體后，就可以有效地抵御浮游動(dòng)物的捕食，在一定程度上促使小型單細(xì)胞綠藻、硅藻生物量降低，使得大型或群體的藻類占優(yōu)勢(shì)（Robats and Zohary，1984；Sterner，1989；于謹(jǐn)磊等，2012；Northcote，1988；毛志剛等，2011）。

西太湖和南太湖浮游植物總密度次之。因?yàn)槲魈湍咸鶠楹涌诘貐^(qū)，入湖河流帶來大量的營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致該區(qū)氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽最高；水體中過量的有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽造成該區(qū)域浮游植物群落大量繁殖。研究（Alonso-Laita和Agust，2006；葉琳琳等，2010）發(fā)現(xiàn)浮游植物活細(xì)胞數(shù)與營(yíng)養(yǎng)鹽水平有關(guān)，貧營(yíng)養(yǎng)的區(qū)域藻的活細(xì)胞數(shù)量最少，而在高營(yíng)養(yǎng)鹽的區(qū)域藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率高，導(dǎo)致其裂解速率低，極易形成藍(lán)藻水華。

表5 太湖水質(zhì)指標(biāo)與浮游植物群落指數(shù)間Pearson相關(guān)性分析Table 5 Pearson correlation between metrics of phytoplankton community and factors of water quality in Taihu Lake

東部沿岸區(qū)TH1測(cè)點(diǎn)浮游植物總密度較低、浮游植物群落多樣性較高，東部沿岸區(qū)屬于草型湖區(qū)，水生植被是水生生態(tài)系統(tǒng)中最重要的初級(jí)生產(chǎn)者，它們個(gè)體大，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，吸取和儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力強(qiáng)，保持和恢復(fù)一定數(shù)量的水生植被可抑制浮游植物的生長(zhǎng)尤其是水華微藻的生長(zhǎng)，提高生態(tài)系統(tǒng)的水生生物多樣性，使得水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定（全為民等，2003；袁峻峰和章宗涉，1993；高鏡清等，2007；孫穎穎等2012）。

3.2 太湖浮游植物群落與水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)水溫、透明度、TN和CODCr是控制太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要水環(huán)境因子（表5）。同時(shí)6月份和12月份太湖浮游植物總密度、藍(lán)藻門密度、微囊藻屬密度均遠(yuǎn)高于其他月份。這可能是由于6月份水溫介于20～25 ℃適宜藻類生長(zhǎng)，研究（吳攀等，2013；Spencer和King，1987；Ochumba和Kibaara，1989；金相燦等，2008）發(fā)現(xiàn)水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽和光照強(qiáng)度是影響浮游植物群落的重要物理因子，其中高溫（平均氣溫＞20 ℃）條件有利于藍(lán)藻生長(zhǎng)。另外調(diào)查期間12月初天氣晴朗、光照強(qiáng)，加上無降水、水位低等適宜的環(huán)境條件，使得處于休眠狀態(tài)的藻細(xì)胞又會(huì)大量萌發(fā)，從沉積物中重新回到水體中迅速繁殖，大量浮游植物聚集（Perakis等，1996；蔡琳琳等，2012）。太湖大部分湖區(qū)透明度很難超過0.5 m，藍(lán)藻由于具備特殊的抗紫外損傷能力和具有調(diào)節(jié)沉浮的偽空泡結(jié)構(gòu)，比其他藻類更能適應(yīng)低透明度環(huán)境，因此低透明度環(huán)境使得藍(lán)藻具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為其優(yōu)勢(shì)地位確立和水華產(chǎn)生提供了條件（Paerl等，1983；秦伯強(qiáng)等，2006）；利用生態(tài)修復(fù)的方法恢復(fù)以沉水植物為主的生態(tài)系統(tǒng)的最關(guān)鍵步驟是湖體提高透明度（沈愛春等，2012）。同時(shí)太湖水環(huán)境治理也應(yīng)注意控制CODCr污染。

4 結(jié)論

（1）太湖浮游植物密度相對(duì)較高，其多樣性較低。（2）太湖水質(zhì)受到污染，首要污染物是總氮，其次是總磷和化學(xué)需氧量。（3）水溫、透明度、TN和CODCr是控制太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)的主要水質(zhì)指標(biāo)。（4）控制太湖入湖口污染物排放對(duì)恢復(fù)太湖水生態(tài)功能具有重要的意義。

致謝：無錫市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站在本研究樣品采集和鑒定過程中做了大量工作，在此致以誠(chéng)摯的感謝。

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基于配網(wǎng)變壓器運(yùn)行的負(fù)載狀態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)用KNN、邏輯回歸、決策樹、SVM分類器、隨機(jī)森林、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)六種算法的準(zhǔn)確率可以判定，隨機(jī)森林算法相對(duì)其他5種算法，分類的準(zhǔn)確率相對(duì)較高，其算法為最優(yōu)算法。在預(yù)測(cè)過程中對(duì)每種算法主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)(如：邏輯回歸的最大迭代次數(shù)。決策樹的深度和步長(zhǎng)，隨機(jī)森林的樹的個(gè)數(shù)、深度、隨機(jī)種子等)，根據(jù)準(zhǔn)確率和召回率分析比對(duì)，同時(shí)考慮隨機(jī)森林算法具有預(yù)測(cè)精度高、不易過擬合、高維數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、容噪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，最終選擇隨機(jī)森林建模方法。

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Structure of Phytoplankton Community and Relationship between Phytoplankton Community and Water Quality in Taihu Lake

LI Di1,2, LI Xuwen2, NIU Zhichun2, WANG Xia2, SHI Wei3, YU Hongxia1*

1. State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environment, Nanjing University, Nanjing 210046, China; 2. Jiangsu Environmental Monitoring Center, Nanjing 210036, China; 3. Air Force Service Institute, Xuzhou 221000, China

To research the structure of phytoplankton community and relationship between phytoplankton community and water quality in Taihu Lake, phytoplankton community structure and water quality indicators (temperature, transparency, pH value, dissolved oxygen, conductivity, total nitrogen, total phosphorus, ammonia, high manganese on permanganate index, chemical oxygen demand, fluoride, biological oxygen demand, nitrate, nitrite, phosphate solubility and chlorophyll a) were monthly investigated at seven sites in Taihu Lake between January and December of 2013 in our study. Meanwhile, Pearson’s correlations between phytoplankton communities and environmental variables were used to find the factors that influenced the distribution of phytoplankton community. The results found that there were 124 species of phytoplankton, including 30 taxa Cyanophyta, 47 kinds of Bacillariophyta, 34 species Chlorophyta, 3 Cryptophyta, 6 Euglenophyta, 4 Dinoflagellate; as an absolute dominant species, dominance of Microcystis spp. was 80.8 %. From space, phytoplankton density in Gonghu was highest among the seven sites. Diversity of phytoplankton community was lower than other sites. Meanwhile, density percentage of Microcystis spp. in Gonghu was 90.1%, far higher than other sites. From the time point of view, December was when the density of phytoplankton community in Taihu Lake was highest, followed by June. The principal pollutant was total nitrogen, secondly total phosphorus, thirdly chemical oxygen demand. Concentration of pollutants in West Taihu was highest in our study. Through correlation analysis of phytoplankton community and water quality, it showed that water temperature, transparency, total nitrogen, chemical oxygen demand and chlorophyll a were main factors that influenced phytoplankton community structure in Taihu Lake. Controlling water pollutant emissions and restoring ecological function should be an effective method to manage cyanobacteria bloom in Taihu Lake. Meanwhile, enhancing times of algae monitoring in winter will be to prevent outbreak of algae in Taihu Lake.

Taihu Lake; phytoplankton community; species diversity; factor

X171.5

A

1674-5906（2014）11-1814-07

李娣，李旭文，牛志春，王霞，師偉，于紅霞. 太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其與水質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(11): 1814-1820.

LI Di, LI Xuwen, NIU Zhichun, WANG Xia, SHI Wei, YU Hongxia. Structure of Phytoplankton Community and Relationship between Phytoplankton Community and Water Quality in Taihu Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1814-1820.

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07502001-005)

李娣（1983年生），女，工程師，博士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)。E-mail：springli1229@163.com

*通訊作者：E-mail: yuhx@nju.edu.cn

2014-05-04